在傳統(tǒng)切削加工過程中，刀具狀態(tài)的識(shí)別是通過加工人員辨別切削聲音，切屑顏色、切削時(shí)間等來判斷，或根據(jù)在加工工序之間拆卸刀具后實(shí)測(cè)其破損程度和磨損量來判斷。然而上述傳統(tǒng)人工判別刀具狀態(tài)的方法明顯不能滿足現(xiàn)代化機(jī)械制造技術(shù)要求，已經(jīng)成為制約先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重瓶頸。解決這些l司題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，這也是近年來刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)再次獲得廣泛關(guān)注及研究的原因。刀具監(jiān)控技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是在現(xiàn)代制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，它推動(dòng)切削加工過程向自動(dòng)化和無人化方向發(fā)展起了極其重要的作用。

1 數(shù)控加工中心的刀具監(jiān)控原理

    刀具監(jiān)控是指在產(chǎn)品切削加工過程中，通過檢測(cè)各類傳感器信號(hào)變化，測(cè)算刀具的磨損量，控制系統(tǒng)根據(jù)刀具監(jiān)控結(jié)果自動(dòng)控制刀具進(jìn)給，補(bǔ)償?shù)毒吣p產(chǎn)生的零件尺寸和形狀精度的變化。當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度，發(fā)生崩刃、破損、卷刃，喪失其切削能力或無法保障加工質(zhì)量的情形，及時(shí)報(bào)警停機(jī)，達(dá)到保證加工安全的目的。

    刀具監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖，數(shù)據(jù)采集處理模塊的傳感器將刀具加工過程中諸如電流、聲響、形狀、表面粗糙度等信息進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)變換，并將這些表示加工實(shí)時(shí)狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)輸送給數(shù)據(jù)決策判定模塊，數(shù)據(jù)決策判定模塊對(duì)比刀具切削數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種工況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，輸出控制信號(hào)給數(shù)控加工中心NC系統(tǒng)，對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整，完成刀具的監(jiān)控管理。

2 刀具監(jiān)控方法

    目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀具監(jiān)控的方法進(jìn)行了大量的研究。根據(jù)刀具磨損量監(jiān)測(cè)原理的不同，刀具磨損監(jiān)測(cè)主要分為直接監(jiān)測(cè)方法和間接監(jiān)測(cè)方法。

    2.1直接監(jiān)測(cè)方法

    直接測(cè)量刀具磨損量或刀具破損狀態(tài)的方法稱為刀具的直接監(jiān)測(cè)方法。常用的主要有接觸監(jiān)測(cè)法和光學(xué)監(jiān)測(cè)法。直接監(jiān)測(cè)刀具磨損的傳感器有接觸探測(cè)傳感器，光學(xué)顯微鏡、高速攝像機(jī)等。

    2.1.1接觸監(jiān)測(cè)法

    接觸監(jiān)測(cè)傳感器發(fā)明于1974年，它能夠監(jiān)測(cè)刀具的磨損和破損程度。監(jiān)測(cè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀具，讓刀具后刀面接觸傳感器，根據(jù)刀具加工前后的直徑變化獲得刀具的磨損量，并根據(jù)刀具的接觸力大小判斷刀具的破損程度。德國(guó)MALTO公司利用該方法研制的刀具破損監(jiān)測(cè)裝置，能夠成功監(jiān)測(cè)刀具的破損情況。該方法監(jiān)測(cè)精度較高，但只能在停車時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，不能用于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    2.1.2光學(xué)監(jiān)測(cè)法

    通過光學(xué)傳感器獲得刀具磨損區(qū)域的圖形，并利用圖像處理技術(shù)得到刀具的磨損狀態(tài)。和其他檢測(cè)方法相比，采用光學(xué)法監(jiān)測(cè)刀具磨損的優(yōu)點(diǎn)是：不受切削條件和工件材料影響，能夠同時(shí)獲得刀具多個(gè)磨損模式的圖形，便于整體了解刀具的磨損形態(tài)；缺點(diǎn)是易受加工方式的影響，許多加工方法無法采用光學(xué)法監(jiān)測(cè)其刀具狀態(tài)。

    2.2間接監(jiān)測(cè)方法

    通過監(jiān)測(cè)與刀具磨損或破損密切相關(guān)的傳感器信號(hào)，并利用建立的刀具磨損量或破損狀態(tài)與傳感器信號(hào)特征關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，間接獲得刀具磨損量或刀具破損狀態(tài)的方法稱為刀具的間接監(jiān)測(cè)方法。常用的主要有振動(dòng)監(jiān)測(cè)法、切削力監(jiān)測(cè)法、電流功率監(jiān)測(cè)法和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法。間接監(jiān)測(cè)刀具磨損的傳感器有：振動(dòng)傳感器、測(cè)力儀，聲發(fā)射傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器和功率傳感器等。與直接監(jiān)測(cè)刀具磨損的方法相比，間接測(cè)量方法具有不影響加工過程、可連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，更適宜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

    2.2.1基于振動(dòng)的監(jiān)測(cè)法

    切削過程中，振動(dòng)信號(hào)包含豐富的與刀具狀態(tài)密切相關(guān)的信息，它主要由切削力中的動(dòng)態(tài)分量引起，且與刀具一工件一機(jī)床構(gòu)成的切削系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。在具體應(yīng)用過程中，與力信號(hào)分解方式一樣，振動(dòng)信號(hào)被分解為3個(gè)方向的振動(dòng)。根據(jù)不同的加工方式，可選擇不同方向的振動(dòng)信號(hào)來監(jiān)測(cè)刀具磨損。測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的傳感器是加速度傳感器，傳感器通過磁力直接吸附在工件表面，安裝非常簡(jiǎn)便，但是不同的安裝位置對(duì)信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，這也是使用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)鍘刀具狀態(tài)實(shí)用化進(jìn)程的一個(gè)障礙。

    2.2.2基于切削力的監(jiān)測(cè)法

    作為加工過程中最穩(wěn)定、最可靠的信號(hào)，切削力信號(hào)與刀具磨損量或破損狀態(tài)密切相關(guān)。此外，測(cè)力傳感器在工業(yè)上的成功應(yīng)用，使得切削力監(jiān)測(cè)技術(shù)成為刀具磨損監(jiān)控研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最具優(yōu)勢(shì)的方法。

    2.2.3基于電流和功率的監(jiān)測(cè)法

    刀具磨損時(shí)切削力增大，從而造成切削功率和扭矩的增加，使得機(jī)床電機(jī)電流增大，負(fù)載功率也隨之增大，因此部分研究人員采用監(jiān)測(cè)電流或功率的方法識(shí)別刀具磨損狀態(tài)的變化。

    電流監(jiān)測(cè)方法和功率監(jiān)測(cè)方法具有安裝簡(jiǎn)易、測(cè)量信號(hào)簡(jiǎn)便、成本低、不受加工條件限制、不干擾加工過程等優(yōu)點(diǎn)，因此成為一種廣泛采用的監(jiān)測(cè)方法。而分辨率低和響應(yīng)慢的問題成為限制該方法發(fā)展的關(guān)鍵，尤其在精加工時(shí)，進(jìn)給量和切削深度的改變對(duì)機(jī)床功率和電流的改變影響很小，識(shí)別精度無法提高嚴(yán)重影響了它的應(yīng)用范圍。

    2.2.4聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法

    聲發(fā)射(Acoustic Emission，A E)信號(hào)是金屬材料在受力后發(fā)生品格位錯(cuò)、裂紋擴(kuò)展和斷裂時(shí)釋放出一種超高頻應(yīng)力波(一般為0．1～lMHz)的脈動(dòng)信號(hào)。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：避開了切削過程中振動(dòng)音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，受切削條件變動(dòng)影響比較小，抗環(huán)境干擾的聲發(fā)射一溫度傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能力較強(qiáng)。由于聲發(fā)射信號(hào)能直接反映金屬材料內(nèi)部品格的變化，所以有可能對(duì)刀具破損進(jìn)行預(yù)報(bào)，被認(rèn)為是一種很有前途的刀具磨損與破損監(jiān)控方法。

    具監(jiān)控技術(shù)已成為當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一，它還將隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展繼續(xù)進(jìn)步。